超大厚度5A06鋁合金板攪拌摩擦焊縫性能及組織分析

夏佩云 ，徐 奎 ，王 毅 ，劉洪斌 ，趙 理

（1.上海航天設(shè)備制造總廠，上海200245；2.中國電子科技集團第十四研究所，江蘇南京210039；3.上海汽車集團股份有限公司乘用車分公司，上海201804）

0 前言

攪拌摩擦焊FSW（friction stir welding）是由英國焊接研究所于20世紀(jì)90年代發(fā)明的一種固態(tài)塑性連接方法，尤其適用于鋁合金、鈦合金、鎂合金等輕質(zhì)合金的焊接。它是通過高速旋轉(zhuǎn)的攪拌工具扎入被焊材料，使其產(chǎn)生塑性變形，在軸肩的頂鍛作用下形成密實焊縫。攪拌摩擦焊在鋁合金焊接中具有高可靠、低變形的優(yōu)點，近年來隨著航天、軍工和汽車等行業(yè)對鋁合金等輕質(zhì)金屬、難焊金屬材料的需求增加，推動了攪拌摩擦焊接技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)已成為21世紀(jì)國內(nèi)外焊接技術(shù)研究的熱點之一[1-2]。

目前，國內(nèi)外對于鋁合金的攪拌摩擦焊研究，單道對接焊厚度一般為1~20 mm，獲得的焊縫性能較好，但對于單道焊厚度超過20 mm的鋁合金板焊接技術(shù)研究很少，其原因在于厚板鋁合金攪拌摩擦焊的焊接難度較大[3]，采用常規(guī)厚度的攪拌工具、焊接工藝和焊接設(shè)備時，一方面無法實現(xiàn)焊接，另一方面獲得的焊縫性能較差。但厚度大于20 mm的鋁合金板在國防工業(yè)中的應(yīng)用十分廣泛，例如相控陣?yán)走_(dá)面板。隨著新一代艦載雷達(dá)研制，雷達(dá)面板的設(shè)計最大厚度達(dá)到了105 mm，尺寸達(dá)到4.5 m×4.5 m。目前，國內(nèi)尚無該大型尺寸的板材供應(yīng)和相應(yīng)的研制技術(shù)，只能通過小型板材拼接成大尺寸板材，作為雷達(dá)面板毛坯材料。本研究針對105 mm厚度的5A06鋁合金厚板進行攪拌摩擦焊試驗，采用雙面焊接方法單道焊接55 mm，通過設(shè)計合理的攪拌工具、焊接工藝參數(shù)，獲得了表面成形良好、內(nèi)部質(zhì)量優(yōu)良的焊縫，并進行超大厚度攪拌摩擦焊縫微觀組織分析和力學(xué)性能分析，研究厚板鋁合金攪拌摩擦焊厚度方向熱形態(tài)分布，為指導(dǎo)參數(shù)選型和攪拌工具設(shè)計、實現(xiàn)該技術(shù)在雷達(dá)面板產(chǎn)品中的應(yīng)用具有重要的實際意義。

1 試驗材料和方法

1.1 試驗材料

焊接試驗用材料為105 mm厚5A06鋁合金軋制板材，試板尺寸規(guī)格為1 000 mm×150 mm，焊接長度1 000 mm，試板材的主要成分如表1所示。

表1 5A06鋁合金主要化學(xué)成分 %

1.2 攪拌工具

攪拌工具是攪拌摩擦焊技術(shù)的核心，它的形狀和尺寸直接決定其摩擦產(chǎn)熱和待焊金屬的塑性流動。結(jié)構(gòu)設(shè)計合理的攪拌工具會提高焊接區(qū)的摩擦產(chǎn)熱，并促進焊縫金屬產(chǎn)生塑性流動。在此采用的攪拌工具其針部設(shè)計為錐度的螺紋結(jié)構(gòu)，旋轉(zhuǎn)的同時對待焊材料產(chǎn)生向下的頂鍛壓力，以致形成密實的焊縫。試驗采用的攪拌工具軸肩直徑60 mm，攪拌針直徑25 mm，長度55 mm。

1.3 試驗過程

在自行研制的重載攪拌摩擦焊設(shè)備上進行攪拌摩擦焊試驗。焊接方式為雙面對接焊，單面焊接55mm，雙面焊接厚度105 mm。先進行一面焊接，翻身后再進行另一面的焊接。

焊接時，攪拌工具高速旋轉(zhuǎn)扎入待焊板材，當(dāng)攪拌工具軸肩壓入量達(dá)到0.5～1.0 mm后，停留預(yù)熱1 min起焊。工藝參數(shù)：攪拌工具旋轉(zhuǎn)速度600 r/min，焊接速度20 mm/min。焊接后，沿焊縫橫向分別截取拉伸試樣和金相試樣。拉伸實驗設(shè)備為XYB305C電子拉伸試驗機，金相試樣觀察設(shè)備為Olympus-MPG3型光學(xué)顯微鏡（OM）。

2 試驗結(jié)果和分析

2.1 焊縫外觀

焊縫表面具有均勻細(xì)致的弧形紋路，兩側(cè)存在因攪拌工具扎入而擠出的金屬形成的飛邊。焊縫表面呈黑灰色，這是由于為了抑制軸肩產(chǎn)熱過大，在焊接過程中施加水冷卻，導(dǎo)致表面金屬氧化，如圖1所示。通常采用攪拌摩擦焊接厚板，表面通過機加工的方法去除氧化金屬。

圖1 5A06鋁板攪拌摩擦焊表面成形情況

2.2 焊縫力學(xué)性能

對焊接接頭進行取樣拉伸試驗分析，取樣位置如圖2所示，A面與B面焊接工藝參數(shù)一致，因此取A面和中間部位試樣各3塊，測量結(jié)果見表2。

圖2 截取試樣位置示意

由表2可知，中間部位焊縫抗拉強度和延伸率均優(yōu)于上部焊縫力學(xué)性能，經(jīng)產(chǎn)熱分析，上部焊縫與中部焊縫相比，除同樣受到攪拌針的產(chǎn)熱作用以外，還有較多熱量來至軸肩產(chǎn)熱，因此上部焊縫材料過熱，從而影響了接頭組織，降低了接頭的力學(xué)性能。

表2 接頭拉伸性能

2.3 焊縫顯微組織分析

圖3為雙面焊接105 mm厚度焊縫橫截面形貌，可以看出正反面焊縫基本對稱，具有部分重疊。軸肩的直徑大，作用的直徑范圍較大，近表面的焊縫寬度較大，而下方攪拌針作用的區(qū)域焊縫寬度基本一致。

圖3 105 mm焊縫橫截面宏觀形貌

圖4為焊核區(qū)金相組織照片，該區(qū)域受到攪拌針劇烈摩擦產(chǎn)熱經(jīng)歷高溫，組織發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶。但由于攪拌針旋轉(zhuǎn)、剪切產(chǎn)生的機械作用相比熱影響區(qū)和熱力影響區(qū)而言更為劇烈，發(fā)生再結(jié)晶的晶粒來不及長大就在攪拌針的機械作用下發(fā)生破碎，金相組織呈現(xiàn)為細(xì)小的等軸晶組織。

b區(qū)域微觀組織如圖5所示。由圖5可知，熱力影響區(qū)域近焊核區(qū)存在較小的等軸晶區(qū)，這是由于材料在攪拌針表面塑態(tài)鋁的粘附作用下，發(fā)生了局部破碎和粘附長大。而其他區(qū)域的組織受到攪拌針的剪切作用，發(fā)生了一定程度的彎曲變形，并且受到焊接循環(huán)作用，在板條狀組織內(nèi)存在部分回復(fù)晶粒組織。熱影響區(qū)材料未受到攪拌針的機械作用，僅僅受到焊接熱循環(huán)的作用，不產(chǎn)生變形，經(jīng)受的焊接熱作用較小，僅發(fā)生回復(fù)，不發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶，其亞晶粒仍保持等軸狀，形成大小不均勻，如圖6所示。

圖4 焊核區(qū)（a區(qū)）微觀組織

圖5 b區(qū)域微觀組織

圖6 熱影響區(qū)微觀組織

在圖3中的c、d、e、f不同厚度位置截取了小型金相試樣，顯微組織如圖7所示，微觀組織出現(xiàn)了較大的差異。越靠近攪拌針底部，晶粒越致密、細(xì)小，越接近焊縫表面的焊縫組織越疏松、粗大。厚板焊接時，通常為了滿足底部材料對焊接能量的需求，采用較高的轉(zhuǎn)速；為了降低攪拌工具的受力，采用較低的焊接速度，由此，底部焊縫由于帶錐度螺紋的攪拌工具產(chǎn)生的向下的頂鍛作用組織致密，而上部材料由于溫度過高，組織較為粗大。另外，由于攪拌工具螺紋結(jié)果產(chǎn)生的向下泵吸作用，組織較為疏松。對上部焊縫微觀組織進行放大，發(fā)現(xiàn)局部焊縫內(nèi)部存在微小的孔洞，尺寸約3 0 μm，如圖8所示。

圖7 焊縫微觀組織（200×）

圖8 上部焊縫中微小孔洞

通過金相組織分析，進一步解釋了上部焊縫性能低于中間部位的焊縫性能?？梢娨鉀Q超大厚度鋁板的攪拌摩擦焊接技術(shù)難題，關(guān)鍵在于提高厚板焊縫強度的均勻性。通過理論分析，一方面必須設(shè)計特殊結(jié)構(gòu)的攪拌工具，提高上部焊縫的致密性；一方面改善厚度方向溫度梯度，使厚板焊縫沿厚度方向獲得比較均勻的焊縫組織。

4 結(jié)論

（1）采用雙面焊接方法成功實現(xiàn)了105 mm厚5A06鋁合金板的攪拌摩擦焊接，焊縫的抗拉強度達(dá)到了318.3 MPa以上，強度系數(shù)超過了93.6%，延長率達(dá)到了11.0%以上。

（2）超大厚度鋁合金攪拌摩擦焊縫沿厚度方向力學(xué)性能存在差異，上部焊縫抗拉強度與延伸率均低于中部焊縫性能。

（3）超大厚度鋁合金攪拌摩擦焊縫沿厚度方向組織存在較大差異，越靠近焊縫表面組織越粗大、疏松，中部焊縫組織致密、細(xì)小。

[1]季亞娟，欒國紅，嚴(yán) 鏗.5A05（LF5）鋁合金攪拌摩擦焊接頭的組織和性能[J].焊接技術(shù)，2005，34（4）：15-17.

[2]王大勇，馮吉才，王攀峰.攪拌摩擦焊接Al-Li合金接頭的微觀組織及力學(xué)性能[J].金屬學(xué)報，2004，40（5）：504-508.

[3]周鵬展，鐘 掘，賀地求，等.2519厚板攪拌摩擦焊接工藝組織分析[J].中南大學(xué)學(xué)報，2006，37（4）：114-118.